Механические характеристики гребного винта

Механической характеристикой гребного винта (ВФШ) называется зависимость вращающего момента от частоты вращения при неизменной скорости судна.

Подобные характеристики снимают опытным путем либо рассчитывают по данным гребного винта.

Полученные зависимости близки к квадратичным параболам. Каждой скорости судна соответствует своя кривая (рис. 1): 1 - зависимость вращающего момента (или момента сопротивления) от частоты вращения на полном ходу судна в свободной воде Мсв = f1(n), т.е. на гладкой поверхности воды без встречного ветра; 2 - одна из промежуточных характеристик Мпр = f2(n) при пониженной скорости судна вследствие ледовой обстановки или по другим причинам; 3 - швартовная характеристика гребного винта Мшв = f3(n) при неподвижном судне, т. е. если судно при работающем двигателе стоит во льду или пришвартовано; 4 — механическая характеристика при работе в шуге («ледяная каша») Мш = f4(n).

С увеличением скорости судна растет скорость встречного потока воды относительно корпуса. Встречный поток воды подкручивает винт, поэтому при номинальном вращающем моменте Л/н с увеличением скорости хода растет частота вращения винта, что ясно из сравнения характеристик на рис. 6. При работе гребного винта в шуге момент сопротивления может оказаться больше, чем при швартовном режиме, так как возрастает вязкость среды, в которой работает винт, и, следовательно, сила лобового сопротивления (см. рис. 3).

Реверсом судна называется такой маневр, при котором направление движения судна вперед изменяется на противоположное путем изменения направления упора гребного винта. Изменение направления упора ВФШ достигается реверсом двигателя. При достаточно большом водоизмещении судна время реверса винта значительно меньше времени реверса судна, так как последнее обладает большой инерцией. Это положение особенно близко к действительности на судах с ГЭУ постоянного тока, где время реверса винта исчисляется несколькими секундами. 

Поэтому практически можно считать, что реверсирование винта происходит при неизменной скорости хода судна вперед.

При реверсе винта с полного переднего хода на полный задний и обратно на лопастях винта возникают силы и моменты, значительно превышающие силы и моменты при работе винта в установившемся режиме переднего или заднего хода. Гребной винт должен быть рассчитан на возникающие перегрузки по механической прочности, а гребной двигатель должен выдерживать перегрузки по моменту.

Изменение момента сопротивления при реверсе винта выражается графически реверсивной характеристикой винта, которая снимается при постоянной скорости судна (рис. 2). Кривая 1 — реверсивная характеристика полной скорости судна.

Рис. 1. Механические характеристики гребного винта

Рис. 2. Реверсивные характеристики гребного винта

В точке А - установившийся режим хода судна вперед, номинальные момент и частота вращения. При реверсировании двигателя момент резко падает до нуля (точка В), частота вращения уменьшается до 0,75. 

Это частота вращения называется буксировочной и создается встречным потоком воды, вращающим винт как гидравлическую турбину при отключенном двигателе и буксировании судна с полной скоростью. Для остановки гребного винта двигатель должен развить тормозной момент, превышающий вращающий момент, развиваемый винтом в режиме гидравлической турбины.

В четвертом квадранте момент сопротивления на винте отрицательный, т. е. винт раскручивает двигатель. Максимальный момент сопротивления достигает почти номинального значения (точка С) при частоте вращения около 0,35 номинальной. Под действием тормозного момента двигателя гребной винт останавливается (точка D), при этом момент сопротивления достигает примерно 0,4 номинального. На участке кривой DЕ гребной винт вращается в противоположную сторону, причем при номинальном моменте двигателя частота вращения составляет примерно 0.4 (точка Е). Это объясняется тем, что судно идет полным ходом вперед и встречный поток воды тормозит винт при вращении.

В третьем квадранте гребной винт работает как гидравлический тормоз и создает эффективное торможение движению судна вперед, при этом действие встречного потока воды ослабевает и частота вращения гребного винта растет (точка F). После остановки судно начинает идти назад. Появляется новый встречный поток, который теперь подкручивает винт, частота вращения возрастает.

Частота вращения винта заднего хода меньше, чем переднего. Это объясняется тем, что на заднем ходу сопротивление движению судна возрастает примерно на 16 — 20% и уменьшается пропульсивный коэффициент винта. На рис. 2 приведены также реверсивная характеристика винта 2, снятая при уменьшенной скорости судна, и кривая 3, снятая на швартовах (судно неподвижно). 

Из сравнения характеристик ясно, что с уменьшением скорости хода судна гребной винт в режиме гидравлической турбины (четвертый квадрант) развивает меньший вращающий момент и для его остановки двигатель затрачивает меньшую мощность. При реверсе на швартовах исключается режим турбины, так как отсутствует встречный поток воды. Таким образом, наиболее тяжелый режим реверса для гребного двигателя - это реверс на полном ходу судна.

Для определения маневренных качеств судна при реверсе применяют следующие характеристики: время выбега — время, истекшее с момента подачи команды об изменении направления хода судна до полной остановки судна; путь выбега — путь, проходимый судном за время выбега; время реверса винта - время, затраченное на изменение частоты вращения до остановки винта; время развития заданной частоты вращения заднего хода, время развития заданной скорости судна заднего хода. 

Лучшими маневренными качествами при реверсе судна обладают электроходы с гребным электродвигателем постоянного тока. Время реверса винта составляет 3 - 8 с и растет с увеличением инерции судна. Для теплохода с ВФШ реверс с полного хода считается аварийным режимом и время реверса составляет десятки секунд.